1988-2018年喜馬拉雅山中部龍巴薩巴冰川變化數(shù)據(jù)集

張?zhí)?，魏俊鋒*，張勇，王欣,2，鄭亞杰

1.湖南科技大學(xué)，測繪遙感信息工程湖南省重點實驗室，湖南湘潭 411201

2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室，蘭州 730000

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 1988-2018年喜馬拉雅山中部龍巴薩巴冰川變化數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 張?zhí)?，魏俊鋒，張勇，王欣，鄭亞杰數(shù)據(jù)通信作者 魏俊鋒（weijunfeng@hnust.edu.cn）數(shù)據(jù)時間范圍 1988-2018年地理區(qū)域 地理范圍包括北緯27°86-27°95N，東經(jīng)88°07′-88°14′E空間分辨率 30 m數(shù)據(jù)量 6.44 MB數(shù)據(jù)格式 Shapefile，GeoTIFF，*.rar，*.xlsx數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.doi.org/10.11922/sciencedb.01116基金項目 國家自然科學(xué)基金（41701061）；湖南科技大學(xué)研究項目（E51669）。數(shù)據(jù)庫（集）組成數(shù)據(jù)由6部分?jǐn)?shù)據(jù)組成：（1）Longbasaba_Glacier_Boundary.shp為冰川邊界數(shù)據(jù)；（2）Longbasaba_Glacial-Lake_Boundary.shp為冰湖邊界數(shù)據(jù)；（3）Longbasaba_Debris-Cover_Boundary.shp為冰川表磧覆蓋邊界數(shù)據(jù)；（4）Longbasaba_Glacier_Surface_Velocity.rar為冰川表面流速數(shù)據(jù)；（5）Longbasaba_Glacier_Basin.tif為冰川/冰湖底部地形數(shù)據(jù)；（6）Longbasaba_Glacier_Mass_Change.xlsx為冰川物質(zhì)變化數(shù)據(jù)。

引 言

冰湖接觸型冰川廣泛分布于喜馬拉雅山地區(qū)[1]，其最近幾十年的物質(zhì)損失速率高于其他類型冰川[2-3]。與冰湖接觸型冰川直接接觸的冰前湖，通常由冰磧壟或死冰阻塞形成[4-5]，母冰川的融水徑流和末端冰體崩解是其重要的補(bǔ)給來源[6]。冰湖接觸型冰川物質(zhì)損失導(dǎo)致冰前湖面積和水量擴(kuò)張[7]，進(jìn)而通過湖-冰相互作用，加速冰川流動和冰崖崩解[8]，進(jìn)一步促進(jìn)冰川末端退縮[1,9]和厚度減薄[10]。近幾十年的冰湖接觸型冰川面積分布及變化、冰湖面積分布及變化、冰川流動空間分布及變化、以及冰川物質(zhì)變化等冰川變化特征，是反映不同類型冰川對氣候變化的響應(yīng)特征及過程研究的重要數(shù)據(jù)支撐。

位于喜馬拉雅山中部的龍巴薩巴冰川，是一條典型的表磧覆蓋的冰湖接觸型冰川（圖1）。龍巴薩巴冰川在過去30 a間快速退縮，到2018年面積和長度分別為29.6 ± 0.6 km2和8274 ± 15 m，較1988年分別減少3%和16%，最終導(dǎo)致0.286 ± 0.018 km3的物質(zhì)損失[1]。冰川消融徑流和崩解冰體直接進(jìn)入龍巴薩巴冰湖，導(dǎo)致冰湖面積擴(kuò)張164%，水量增加237%[1]。隨著冰湖壩體內(nèi)部多年凍土持續(xù)消融[11]，冰川快速退縮進(jìn)一步增加了冰湖潰決的風(fēng)險和危害。本數(shù)據(jù)基于冰川表面能量-物質(zhì)平衡模型[12]，模擬了1989-2018年龍巴薩巴冰川表面物質(zhì)平衡，并結(jié)合冰川末端退縮以及表面流動特征，重建了冰川近30 a物質(zhì)變化序列，為研究喜馬拉雅山地區(qū)冰川變化及其對氣候變化的響應(yīng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)示意圖

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

龍巴薩巴冰川/冰湖邊界、冰川表磧覆蓋及表面運(yùn)動特征，基于美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）1988-2018年的Landsat TMETM+OLI遙感影像數(shù)據(jù)（共34幅）獲取。為排除云和雪覆蓋對數(shù)據(jù)提取精度的影響，選取的遙感影像主要集中在9月和10月。冰川/冰湖底部地形數(shù)據(jù)由2009年龍巴薩巴冰湖實測水深數(shù)據(jù)[13]和冰川厚度模擬數(shù)據(jù)集[14]計算獲得?？臻g分辨率 0.1°×0.1°的中國氣象驅(qū)動數(shù)據(jù)集（China Meteorological Forcing Dataset，CMFD）[15]，在利用實測氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校后，作為冰川表面能量-物質(zhì)平衡模型的氣象驅(qū)動數(shù)據(jù)。實測氣象數(shù)據(jù)，包括龍巴薩巴自動氣象站獲取的2013-2018年日平均氣溫、風(fēng)速、相對濕度和太陽輻射，以及定日國家氣象站獲取的1988-2018年日降水?dāng)?shù)據(jù)。此外，利用2002年ASTER影像提取的表磧熱阻系數(shù)[16]，結(jié)合冰川表磧覆蓋范圍，表征龍巴薩巴冰川表磧覆蓋厚度的空間分布特征；利用高山亞洲地區(qū)冰川厚度變化格網(wǎng)數(shù)據(jù)集（HMA_Glacier_dH）[17]，結(jié)合提取的冰川表面流速特征，對冰川表面物質(zhì)平衡模型估算結(jié)果進(jìn)行檢校。數(shù)據(jù)集中所用到的數(shù)據(jù)源集及相關(guān)信息見表1。

表1 數(shù)據(jù)集所用數(shù)據(jù)源

1.2 數(shù)據(jù)處理過程

基于Landsat TM/ETM+/OLI影像，采用目視解譯方法獲取1988-2018年冰川/冰湖邊界和冰川表磧覆蓋范圍。若存在積雪和云層干擾，則參考同時期的Google Earth和ASTER影像數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資料；存在“條帶”的ETM+影像僅用來提取冰川末端。冰川表面流速利用質(zhì)量較好的Landsat TM/OLI影像，通過內(nèi)嵌在ENVI軟件中的COSI-Corr模塊基于特征匹配法提取，其中2002年無符合精度需要的Landsat影像，因此2001-2002年和2002-2003年的冰川表面平均流速，采用2001-2003年的平均流速代替。COSI-Corr模塊獲取“影像對”中匹配同名點的東西/南北向位移和數(shù)據(jù)信噪比，本數(shù)據(jù)采用信噪比大于0.95的像元計算其水平位移，進(jìn)而獲取冰川表面流速空間分布特征。基于龍巴薩巴冰湖實測深度數(shù)據(jù)內(nèi)插出湖盆地形[13]，利用冰川厚度和表面高程[14]獲取冰川底部地形，并充分考慮冰川/冰湖底部地形的連續(xù)性，內(nèi)插出湖盆地形與冰川底部地形中間間隔的地形，獲取完整的冰川/冰湖底部地形特征。

冰川表面能量-物質(zhì)平衡模型考慮表磧覆蓋對冰體消融的影響，分別計算裸冰區(qū)和表磧覆蓋區(qū)的表面消融能量QM：

其中，α和α′分別為裸冰和表磧表面反照率；為入射短波輻射；分別為入射和出射長波輻射；QS和QL分別為冰雪面-大氣間的感熱和潛熱交換；QR為降水供熱，可忽略不計；QG和Q′G分別為裸冰區(qū)和表磧區(qū)表面向下的熱傳輸項；TS為表磧表面溫度；TI是表磧-冰川接觸面溫度；R是表磧熱阻系數(shù)。冰川表面物質(zhì)消融量M=QM/ρwLf，其中ρw是水的密度，Lf是冰/雪融化潛熱系數(shù)。

冰湖接觸型冰川物質(zhì)變化可分為表面物質(zhì)損失、末端物質(zhì)損失和冰體流動損失等部分，最終表現(xiàn)為冰川表面高程降低和末端退縮。其中前者由冰川表面物質(zhì)平衡和冰體流動共同作用，后者包括冰川末端消融和冰體崩解。假設(shè)在物質(zhì)平衡年t1-t2內(nèi)，冰川末端從L1退縮到L2（圖2），則可將冰川物質(zhì)損失分為兩部分：L2上游部分（G2）和L1與L2之間部分（G1）。經(jīng)過物質(zhì)平衡年后，G1部分冰川物質(zhì)完全損失，而 G2部分物質(zhì)變化為冰川表面物質(zhì)平衡與流入/流出冰通量矢量和。冰川末端冰通量可由冰舌平均流速計算，假設(shè)冰川底部流速是冰川表面流速的40%，則冰川平均流速數(shù)值上等于冰川表面流速的70%。結(jié)合冰川表面物質(zhì)平衡、冰川末端退縮和表面流動特征，可重建冰湖接觸型冰川物質(zhì)變化序列（圖3）。

圖2 龍巴薩巴冰川物質(zhì)變化示意圖

圖3 龍巴薩巴冰川物質(zhì)變化序列重建流程示意圖

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)圖形樣本

1988-2018年，龍巴薩巴冰川末端快速退縮，2018年的冰川面積較1988年減少了3.23%，近30 a的平均面積退縮率為0.033±0.001 km2a-1。在此影響下，2018年龍巴薩巴冰湖的面積達(dá)到了1.591±0.104 km2，較1988年面積擴(kuò)張了164%[1]。圖4展示了不同時期龍巴薩巴冰川末端與冰湖邊界分布。1989-2018年龍巴薩巴冰川的表面物質(zhì)與總物質(zhì)均處于虧損狀態(tài)（圖5）。近30 a間超過80%的年份冰川表面表現(xiàn)為負(fù)物質(zhì)平衡狀態(tài)，平均表面物質(zhì)平衡為-0.26 m w.e.a-1，導(dǎo)致的總物質(zhì)損失為0.232 km3w.e.。近30 a龍巴薩巴冰川總物質(zhì)損失0.315 km3w.e.，年平均物質(zhì)虧損量為0.114 km3w.e.a-1，由冰川表面物質(zhì)變化引起的物質(zhì)損失占冰川總物質(zhì)損失的74%，是龍巴薩巴冰川物質(zhì)損失的主要貢獻(xiàn)因素。

圖4 1988-2018年龍巴薩巴冰川末端/冰湖邊界

圖5 1989-2018年龍巴薩巴冰川物質(zhì)變化

2.2 數(shù)據(jù)屬性表

1988-2018年的龍巴薩巴冰川邊界、冰湖邊界以及表磧覆蓋邊界矢量數(shù)據(jù)文件，分別命名為Longbasaba_Glacier_Boundary.shp、Longbasaba_Glacial-Lake_Boundary.shp和 Longbasaba_Debris-Cover_Boundary.shp。矢量數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)為WGS1984_UTM_45N，屬性表由6個字段構(gòu)成（表2），反映了每年冰川/冰湖/表磧邊界及面積分布與變化的基本屬性信息。

表2 矢量數(shù)據(jù)集屬性表

2.3 GeoTIFF數(shù)據(jù)

龍巴薩巴冰川/冰湖底部地形數(shù)據(jù)和冰川表面流速數(shù)據(jù)以 GeoTIFF格式存儲，空間坐標(biāo)為WGS1984_UTM_45N，空間分辨率 30 m。龍巴薩巴冰川/冰湖底部地形數(shù)據(jù)命名為Longbasaba_Glacier_Basin.tif，數(shù)據(jù)單位為 m；冰川表面流速數(shù)據(jù)集為壓縮格式（*.rar），命名為Longbasaba_Glacier_Surface_Velocity.rar，數(shù)據(jù)集中包含1989-2018年每年冰川表面流速空間分布特征，每個數(shù)據(jù)命名為Surface_Velocity_XXXX-YYYY.tif，其中XXXX和YYYY分別為計算流速的開始和結(jié)束日期，冰川表面流速單位為m d-1。

2.4 Excel屬性表

龍巴薩巴冰川物質(zhì)變化數(shù)據(jù)，包括1988-2018年年尺度的冰川面積變化、表面流速、表面物質(zhì)平衡、物質(zhì)總損失量等冰川變化基礎(chǔ)信息。數(shù)據(jù)以 MS Excel格式存儲，命名為Longbasaba_Glacier_Mass_Change.xlsx。文件中屬性及單位信息如表3所示。

表3 龍巴薩巴冰川物質(zhì)變化序列屬性表

序號 字段 描述 單位11 Lake Depth Error 冰湖深度誤差 m 12 Lake Volume 冰湖體積 km3 13 Lake Volume Error 冰湖體積誤差 km3 14 Glacier Surface Velocity 冰川流速 cm d-1 15 Glacier Surface Velocity Error 冰川流速誤差 cm d-1 16 Mass Loss from Ice Flow 冰川流動導(dǎo)致的物質(zhì)損失量 km3 w.e.17 Surface Mass Balance from Surface 冰川表面物質(zhì)平衡 m w.e.18 Mass Loss from Surface Mass Balance 冰川表面物質(zhì)平衡導(dǎo)致的物質(zhì)變化量 km3 w.e.19 Mass Loss from Termination 冰川末端退縮導(dǎo)致的物質(zhì)損失量 km3 w.e.20 Total Mass Change 冰川物質(zhì)變化量 km3 w.e.

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

本研究中使用的Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像已由USGS進(jìn)行過幾何校正，通過精確專家目視解譯，冰川/冰湖和表磧覆蓋邊界的定位誤差可以控制在一個像元以內(nèi)。由于在遙感影像中很容易準(zhǔn)確地區(qū)分冰川和冰湖，因此本研究中表磧覆蓋僅對冰舌兩邊的冰川邊界定位產(chǎn)生影響，而不影響冰川末端邊界定位精度。冰川/冰湖/表磧覆蓋面積誤差由邊界決定[1]。冰川表面流速誤差基于附近非冰川區(qū)獲取，誤差范圍在±0.23～±2.36 cm d-1之間。冰川/冰湖底部地形誤差受湖水深度實測數(shù)據(jù)誤差與冰川底部高程插值誤差影響，其中前者精度為±2.5 m，后者為±4.9 m，基于誤差傳遞公式可得冰川/冰湖底部地形高程誤差為±5.5 m。

采用實測數(shù)據(jù)檢校后，作為冰川表面能量-物質(zhì)平衡模型氣象驅(qū)動數(shù)據(jù)，檢校后的 CMFD氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)表現(xiàn)出了與實測數(shù)據(jù)較好的一致性，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.94和0.98（圖6）。基于冰川表面高程變化及流動特征，可得1989-2000年和2000-2018年龍巴薩巴冰川平均表面物質(zhì)平衡分別為-0.30 ± 0.03 m w.e.a-1和-0.22 ± 0.03 m w.e.a-1，通過調(diào)整溫度遞減率和降水梯度，對龍巴薩巴冰川表面物質(zhì)平衡模型模擬結(jié)果進(jìn)行了檢校。

圖6 實測數(shù)據(jù)與校正后CMFD氣象數(shù)據(jù)對比

4 數(shù)據(jù)價值

冰湖接觸型冰川受末端冰湖影響，表現(xiàn)出了與其他類型冰川存在差異的物質(zhì)變化特征。本數(shù)據(jù)集通過綜合冰川/冰湖底部地形、冰川/冰湖/表磧面積分布與變化、冰川表面流動、冰川表面物質(zhì)平衡等在不同時期的分布及變化信息，全面反映了冰湖接觸型冰川在氣候變化背景下的典型變化特征。本數(shù)據(jù)集能為冰湖接觸型冰川獨特的氣候變化響應(yīng)研究、冰湖-冰川物質(zhì)/能量變化研究、以及冰湖接觸型冰川動力學(xué)研究與模擬，提供冰川本底數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)、以及模擬結(jié)果驗證數(shù)據(jù)等。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

1988-2018年龍巴薩巴冰川/冰湖/表磧覆蓋邊界數(shù)據(jù)集使用Shapefile矢量數(shù)據(jù)格式存儲；1989-2018年冰川表面流動數(shù)據(jù)集的存儲格式為柵格數(shù)據(jù)（GeoTIFF格式）；龍巴薩巴冰川/冰湖底部地形數(shù)據(jù)的存儲格式為柵格數(shù)據(jù)（GeoTIFF格式）。以上數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)系均為WGS1984_UTM_45N，數(shù)據(jù)在ArcGIS、ENVI等主流GIS平臺中均可進(jìn)行讀取、編輯、分析和顯示等操作。1989-2018年龍巴薩巴冰川物質(zhì)變化數(shù)據(jù)存儲格式為MS Excel，可在MS Office、WPS等辦公軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、編輯、查看、統(tǒng)計等操作。本數(shù)據(jù)集可靠性高，代表性強(qiáng)，可作為冰湖接觸型冰川物質(zhì)變化研究的參考數(shù)據(jù)，也為區(qū)域氣候變化和冰川變化等研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。